一种体心立方材料位错环反应路径与能垒计算方法及系统

本发明属于计算材料学、辐照损伤模拟、原子尺度缺陷动力学和过渡路径计算，涉及一种体心立方材料位错环反应路径与能垒计算方法及系统。

背景技术：

1、铁、钨、钒、铬、钼、铌和钽等体心立方材料在核能、聚变装置、高能粒子辐照和高温高应力环境中服役时，会产生空位、自间隙原子及其团簇。自间隙原子聚集后可形成间隙型位错环，其中常见柏氏矢量族包括1/2<111>和<100>。位错环的迁移、碰撞、结点形成及类型转化会影响缺陷网络、辐照硬化、脆化和尺寸稳定性。

2、位错环反应通常不是将若干最初标记为间隙原子的原子作为刚体移动，或者使其脱离原位后直接重组。对于1/2<111>间隙型位错环，位错滑移在原子尺度可表现为密排原子串（crowdion原子串）的协同推挤和原子身份沿原子串传播；反应过程中，原先处于间隙位置的原子可能回到正常晶格位置，原先的晶格原子可能转变为新的间隙原子。因此，物理连续的反应路径必须同时保持位错拓扑演化和原子身份连续。

3、弹性带方法及攀爬图像弹性带方法可用于确定原子体系的最小势能路径。然而，当仅对反应初态和终态进行直线坐标插值时，容易出现周期性边界跳跃、原子过近、不同原子互换身份、少数原子超长迁移、间隙原子直接重组以及中间位错拓扑消失等问题。即使得到连续的能量曲线，该曲线也可能不对应预期的位错滑移和结点形成机理。

4、对随机合金或多主元合金，固定几何构型在不同元素随机占位下可能产生不同的局域应力和位错核心稳定性。部分化学随机种子会使初始位错环在正式计算前提前接触，或者使结点态、闭合态和终态失稳。若在完成全部中间图像构建和长时间弹性带计算后才发现锚点失效，将造成大量无效计算。

5、多阶段位错环反应还存在高维路径切角和能量拼接问题。单段弹性带计算需要大量副本，且难以同时解析接近、接触、结点生成、闭合和长大等局部过程；分段计算又需要解决分段端点一致性、能量零点统一、重复锚点删除、能量记录与原子结构同步、局部异常区段精修以及最终位错拓扑复核等问题。

6、因此，需要一种面向真实体心立方位错环运动机制的计算方法，使反应路径能够从已有可靠轨迹迁移，也能够从完美晶格、位错滑移模板和候选结点结构独立生成；同时保持跨图像原子身份和合金元素身份，利用拓扑锚点约束反应机理，并自动完成路径质量检查、异常区段加密、分段能量合并和位错拓扑终检。

技术实现思路

1、本发明的技术方案用于解决以下技术问题：其一，常规初末态直线插值难以保持位错环逐层原子推挤和原子身份传播，容易产生非物理路径；其二，随机合金中的拓扑锚点和局域化学环境易失稳；其三，多阶段反应路径难以在计算效率、路径连续性和局部精度之间兼顾；其四，现有能垒提取可能缺少与能量记录对应的完整原子结构和位错拓扑证据。

2、本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

3、本发明提供一种体心立方材料位错环反应路径与能垒计算方法，包括：

4、建立体心立方材料的周期性原子模型，获取原子身份保持的参考反应路径，并在参考反应路径中设置拓扑锚点；

5、分别对拓扑锚点进行原子弛豫和位错拓扑识别，仅保留满足预期位错拓扑的拓扑锚点；

6、对于合金体系，建立原子标识与元素类型之间的固定映射，并将固定映射施加于全部拓扑锚点和中间图像；

7、将相邻拓扑锚点之间划分为反应分段，按照周期性最小镜像位移沿参考反应路径重采样中间图像，并将弛豫后拓扑锚点相对于对应参考结构的坐标修正量传播至中间图像；

8、对中间图像进行约束强度逐级减弱的预弛豫，并执行路径质量检查；

9、对通过检查的各反应分段执行弹性带过渡路径计算；

10、仅从同时具有各图像能量记录和全部副本原子结构输出的同步检查点中选择目标检查点，统一各反应分段的能量零点并合并各反应分段，确定整体正向能垒、反向能垒和反应能中的至少一种；

11、对合并后的反应路径进行位错拓扑终检，并输出原子反应轨迹和能量结果。

12、进一步地，所述参考反应路径的获取方法为：从已验证的弹性带路径重采样，或从分子动力学轨迹中抽取并按照原子标识对齐，或从完美体心立方晶格生成多个位错环状态并通过位错滑移模板连接，或对反应核心区施加局部协同位移并进行受限弛豫，或对多个候选结点结构进行拓扑筛选后拼接。

13、进一步地，所述拓扑锚点至少配置：预期位错的柏氏矢量族、位错数量、闭合或开放状态和以及位错段连接关系。

14、进一步地，所述位错拓扑识别的方法为：将识别到的位错段按照预期位错的柏氏矢量族、闭合状态和位错节点连接关系分组，将分组结果与相应拓扑锚点的配置进行比较。

15、进一步地，所述建立原子标识与元素类型之间的固定映射的方法为：按照各元素目标原子数生成元素类型序列，利用化学随机种子打乱元素类型序列后与原子标识一一对应。

16、进一步地，所述预弛豫包括至少两个约束阶段，后一约束阶段的原位约束强度小于前一约束阶段的原位约束强度，且后一约束阶段允许的单步最大原子位移不小于前一约束阶段允许的单步最大原子位移；端点图像采用弛豫后的拓扑锚点。

17、进一步地，所述路径质量检查包括：每一图像的最小原子间距不小于预设距离阈值；相邻图像的原子位移均方根不大于预设均方根阈值；相邻图像的最大单原子位移不大于预设位移阈值；各图像的原子标识集合、元素类型数组和周期性模拟盒一致；以及预设拓扑锚点的位错拓扑满足配置要求。

18、进一步地，所述对通过检查的各反应分段执行弹性带过渡路径计算的方法如下：各反应分段分别设置副本数量、弹性带弹簧常数、力容差、迭代步数、原子结构输出间隔和攀爬图像参数，并在并行计算平台上并行运行或根据锚点依赖关系顺序运行。

19、进一步地，所述目标检查点满足：检查点步数与原子结构输出间隔对齐，全部副本均存在对应的原子结构输出，检查点数据字段完整；在满足前述条件的候选检查点中，根据最大副本力、最大原子力、能量变化率和位错拓扑稳定性中的至少一种选择目标检查点。

20、本发明还提供一种体心立方材料位错环反应路径与能垒计算系统，包括：

21、原子模型与参考路径生成模块，用于建立体心立方材料的周期性原子模型，获取原子身份保持的参考反应路径，并在参考反应路径中设置拓扑锚点；

22、原子标识与成分映射模块，用于在合金体系中建立原子标识与元素类型之间的固定映射，并将固定映射施加于全部拓扑锚点和中间图像；

23、拓扑锚点设置与验证模块，用于分别对拓扑锚点进行原子弛豫和位错拓扑识别，并仅保留满足预期位错拓扑的拓扑锚点；

24、最小镜像重采样模块，用于将相邻拓扑锚点之间划分为反应分段，并按照周期性最小镜像位移沿参考反应路径重采样中间图像，以及将弛豫后拓扑锚点相对于对应参考结构的坐标修正量传播至中间图像；

25、中间图像预弛豫模块，用于对中间图像进行约束强度逐级减弱的预弛豫，并执行路径质量检查；

26、分段弹性带计算模块，用于对通过检查的各反应分段执行弹性带过渡路径计算；

27、同步检查点选择与能量合并模块，用于仅从同时具有各图像能量记录和全部副本原子结构输出的同步检查点中选择目标检查点，统一各反应分段的能量零点并合并各反应分段，以确定整体正向能垒、反向能垒和反应能中的至少一种；以及，

28、位错拓扑终检与结果输出模块，用于对合并后的反应路径进行位错拓扑终检，并输出原子反应轨迹和能量结果。

29、本发明的有益效果如下：

30、本发明的方法与仅采用初态—终态直线插值的方案相比，本发明通过跨图像原子标识保持、crowdion原子串身份映射和最小镜像重采样，减少原子身份互换、周期边界跳跃和少数原子非物理超长迁移。本发明将位错柏氏矢量、数量、闭合性和节点连接关系显式写入拓扑锚点，并在预处理和后处理阶段重复验证，使能量路径与预期位错反应机理建立可审查的结构对应关系。本发明既可迁移已验证的物理参考轨迹，也可由完美体心立方晶格、单环滑移模板、双环接近序列和候选结点结构独立生成参考路径，降低对单一既有构型文件的依赖。本发明通过随机种子锚点预筛选和保持全局计数的局域成分交换，可在反应几何一致的条件下比较不同全局成分、局域成分和化学随机环境对位错反应能垒的影响。本发明通过多阶段受限预弛豫、路径质量门控和异常区段自适应加密，在降低原子重叠的同时减少反应通道偏离；通过分段弹性带计算降低单段高维路径切角风险；本发明仅从能量记录和全部副本原子结构同步保存的检查点中选择结果，使所报告能垒能够由相应原子结构逐图像复原，并通过位错拓扑终检和缺陷守恒进一步提高结果的可重复性。